熔盐储罐泄漏原因分析及建议

山东电力建设第三工程有限公司 刘中博 张建亮

现阶段，太阳能光热发电已经日趋成熟，相关设备的标准规范也逐步投用。但作为熔融盐储热系统的熔盐罐的设计目前还没有专门的设计标准，在目前的项目设计中均采用了油罐的相关设计条款，如API 650标准，该部分标准又具有相对的限制性。本文在总结经验的基础上，提出了熔盐罐的设计建议。

1 问题说明

某国外塔式太阳能光热发电项目，装机容量为150MW，储热系统：一组熔盐储罐能够提供汽轮发电机组满负荷运转7h所需的热量；一组SGS熔盐/水汽换热系统（1x 100%），导热介质：熔盐（冷熔盐300℃，热熔盐565℃）。565℃的热熔盐进入热熔盐罐被储存起来，热熔盐罐中的循环泵把热熔盐输送到蒸汽发生器进行换热，产生蒸汽用来驱动汽轮机发电。熔盐储罐为低压圆柱形储罐，采用不锈钢（碳钢）材质，通过罐壁和罐顶等的保温来减少热量损失，罐体参数：内部直径41.3m，顶高14m。

机组在投用3年后，在设备停机检修过程中，发现热熔盐罐基础内部的冷却风温度出现异常上升现象，靠近罐中部位置的四个温度测点升高至84～109℃（正常约40～70℃左右），经分析确定为熔盐泄漏，经调取熔盐罐历史记录发现，在1周之内熔盐损失约300t。现场组织安装临时排盐管道、临时冷却系统开始热熔盐罐排空工作，约两周后开始进入罐内进行检查清理，检查发现；罐底板中间位置东西方向的底板隆起，此区域内的东西焊缝处有两处裂缝（实际熔盐泄漏处）；底板与壁板连接处的大角焊缝在罐内侧发现大量裂纹。

2 泄漏原因分析

熔盐罐发生泄漏之后，现场收集资料并组织各单位专家进行分析，从设计标准、材料、安装及焊接、运行等各方面进行根本原因分析，提出修复方案。

2.1 设计方面

2.1.1 设计标准

热熔盐罐本体材质采用了（347H）不锈钢的设计，设计温度570℃，罐体容量约为15000m3。目前，国际上大型高温熔盐罐设计标准均采用了API 650 12th，且API 650只适用于设计温度不超过93℃的储罐，其附录M也仅适用于设计温度超过93℃但不超过260℃的储罐，说明在熔盐罐温度设计上，国内外标准还有其受限的一个方面，在具体实践中，就需要依据设计经验、材料应力选择、有限元分析模拟来完善和加强。在材料上则采用了ASME BPVC II D和ASME BPVC Ⅷ-2的标准。

2.1.2 热熔盐罐本体设计

罐底板及壁板：热罐底板中心区域有3块9.5mm厚的钢板，其他区域的底板厚度为8mm，环形边缘钢板厚度分别为17mm和35mm。第一层壁板厚度为46.6mm。底板规格种类较多，存在因板厚差异而导致的焊接及应力集中问题；底圈罐壁外表面沿径向至边缘环形板外缘的距离，国内规范要求不应小于50mm，且不宜大于100mm，而本项目为200mm，不符合国内规范要求。

设计应力选取：热罐材料A-240 347H在570℃要求的最大许用应力值为109.6MPa，实际上按照ASME II-D标准许用应力数据来看，还存在是否适应变形的差异。本项目实际热罐罐壁设计取用的设计应力值为95MPa。按照API650规范要求，罐壁设计应力当温度超过93℃时应为材料最小规定屈服强度的2/3乘以衰减系数，或者是规范中所给出的钢板设计应力值，取二者中的较少值。按照招标规范的屈服强度（137MPa）来计算，设计应力值至少应小于91.3MPa，而本项目实际计算中取值为95MPa，不符合以上规范要求。

查询该设计单位执行的其他项目的应力取值，明显逐渐降低，相比于本项目余量越来越大。另外，按照设计公司有限元分析，最大应力在罐底板与第一层壁板之间的焊缝处，在有限元应力校核时没有考虑焊接残余应力，但在实际熔盐罐焊接过程中，焊接残余应力是不可避免的。辅助设备设计方面：熔盐罐内部一般均布置有熔盐分配环，其中熔盐排出开孔方向不同厂家有不同的设计，需要通过CFD及有限元模拟来进行流场和应力分析。需要注意设置排气装置，以免系统进入空气而导致管道及整个系统的振动；设备基础沉降方面：该熔盐罐基础设计采用了柔性基础，在熔盐罐泄漏后对基础的检测中，未发现基础出现明显的沉降。也就是说，罐体的泄漏并非由于熔盐罐基础沉降而导致的底板变形产生裂纹发生泄漏。

2.2 材料方面

本项目招标规范书对材质的要求，必须满足标准ASTM A240 Gr 347H相关要求。实际热罐347H钢板从比利时采购，厂家性能数据满足招标要求。在热罐取样分析报告中，底板和壁板的力学特性、化学成分、微观结构、晶粒尺寸，硬度等与347H标准要求相一致，焊材也符合标准要求。

2.3 安装（含焊接）方面

2.3.1 罐底板、背板安装

罐底板安装变形量的控制在施工阶段部分位置控制有偏差，据施工人员说明间隙测量报告中最大58mm的点在中幅板上，而业主测量报告中最大点是33mm，也在中幅板上，说明底板安装质量控制不到位，变形量较大；罐底板对焊接的背板安装要求：底板对接焊缝下面的背板（垫板）应与罐底板贴紧并定位。底板安装后部分变形将导致背板张口，在罐正常运行过程中，由于基础接触面为厚度30mm细沙，可能会阻塞罐底板收缩。

2.3.2 焊接方面

从底板的取样分析结果来看，底板对接焊缝存在部分根部未熔合（2.2～2.5mm）或根部未焊透缺陷，削弱了底板的强度，在其他因素的推动下，会导致局部应力集中而产生裂纹，最终会造成熔盐泄漏。从大角焊缝取样分析结果来看，焊缝个别位置存在咬边和焊缝焊波较深等外观缺陷，焊缝内部未发现存在宏观缺陷和有害腐蚀杂质。经失效分析，发现裂纹沿着在应力最集中的大角焊缝焊趾处萌生并沿金属晶界扩展，基本确定断裂机理是由于高温蠕变（应力松弛）引起，理论上产生机理是在高温下长时间高持久应力下金属产生晶界强度弱化引起。说明，大角焊缝的裂纹产生，基本是长时间运行过程中，发生高温蠕变而产生，与材料选择有较大关系。

业主认为安装期间大角焊缝焊接热输入过大和返修过多，会导致焊缝结构产生更高的残余应力。在热罐安装期间，涉及大角焊缝PAUT（相控阵超声检测）检查时，存在较大比例的返修焊缝。在检查安装记录时，发现焊缝返修有焊接日志，但是没有记录返修热输入记录。在565℃的运行温度下，在温度、时间和应力的组合作用下产生裂纹并逐渐沿晶扩展。

2.4 运行方面

设计运行要求：针对不同天气状况，热罐在注入热盐有着严格要求，分别对多云天气和晴天的工况对盐温控制有明确要求。阴天温升2℃/min；连阴天后的晴天温升5℃/min；连续晴天温升4℃/min。本项目施工阶段热罐预热信息：罐壁升温速度控制在2～3℃/h，任何两个罐壁测点温差不得超过25℃。

实际运行控制：查询项目部提供的历史曲线数据，没有发现温度升降超过上述要求的时间段，在发现泄漏之前的运行操作也没有异常，全厂正常停机，停机后整罐温度均匀下降。经统计本次停机冷却时间及温度数据，从温度变化及历史曲线来看，没有超出设计的温度升降5℃/min的范围要求。

2.5 热罐泄漏过程分析

关于热罐底板熔盐泄漏：按照基础风温、熔盐液位来看，发现泄漏之前熔盐已经开始泄漏，基本可以确定，在本次停机之后的罐体冷却阶段，在一些因素的共同作用，比如底板背板张口产生较大阻力以及罐底板组合阶段的不平等因素限制了底板的运动，直接导致底板起包变形。底板起包使底板在最弱的有缺陷焊缝位置产生裂纹，泄漏了熔盐。

关于大角焊缝裂纹，数量相对较多，根据取样分析属于高温蠕变裂纹及短时拉裂裂纹。分析认为一个是前期较长时间的高温蠕变而导致的裂纹，另外一个是本次停机之后发生的短时高温拉裂，在短时间内产生强烈的罐体收缩变形，在大角焊缝残余应力的作用下，底板运动受阻、底板较大原始变形等，所有这些因素导致了大角焊缝的部分裂纹。针对罐壁与边缘板之间的大角焊缝的裂纹，一种分析认为该裂纹主要发生在停机之后的冷却和熔盐排空阶段的较短时间，因为该焊缝已经穿透壁板厚度的50%，在正常的运行过程中由于液位、温度的不断变化，如此深的裂纹无法保证罐的正常安全运行，该分析有一定道理，但与取样检验数据有一定差异。

2.6 原因确定

设计方面（主要原因）。按照API650规范要求，罐壁设计应力当温度超过93℃时应为材料最小规定屈服强度的2/3乘以衰减系数，或者是规范中所给出的钢板设计应力值，取二者中的较少值。按照招标规范的屈服强度（137MPa）来计算，设计应力值至少应小于91.3MPa，而本项目实际计算中取值为95MPa，不符合规范要求，从设计单位后续其他项目的应力取值越来越少基本可以说明其逐步改进优化的方向。

罐底板安装变形量的控制（直接原因）。在施工阶段罐底板部分位置有较大变形，内部的间隙测量报告中最大58mm的点在中幅板位置，不符合规范要求的质量控制标准。国内规范要求：罐底焊接后，其局部凹凸变形的深度不应大于变形长度的2%，且不应大于50mm。经查询，在API650标准中，对于罐底板的安装平整度没有明确要求，因此后续建议按照国内标准执行，以保证安装质量；在焊接方面（直接原因）。从现场的焊接返工量记录和取样分析的结果可以看出，现场焊接残余应力、焊接缺陷质量控制较差。

总之，本次热熔盐罐的泄漏，主要是在设计标准受限的情况下，罐本体设计应力取值余量较少，叠加安装、焊接质量控制不足的基础上，最终造成了熔盐罐泄漏，设计是主要原因，而安装与焊接的缺陷则是直接导致了裂纹问题的发生。

2.7 现场修复

按照以上的原因分析，对现场泄漏的储罐进行修复，更换底板及壁板，严格按照焊接工艺评定进行焊接作业和质量控制。在罐体预热升温时需严格按照设计院提供的技术说明进行，防止出现局部温差过大导致罐体变形，严重的将产生裂纹。A240 Gr.347H属于奥氏体不锈钢，具有较低的热导率和较高的线膨胀系数，焊件容易出现热裂纹、晶间腐蚀等常见缺陷，焊接时应采用小电流、窄焊道、多道焊、不摆动、低线能量输入的焊接工艺，同时应尽量保持较低的层间温度，最好不超过150℃。

3 设计建议

按照以上的分析，现场泄漏的热熔盐储罐已经修补完成，运行良好。在后续的熔盐罐的设计中，在结构设计、设计应力选取，焊接质量和残余应力控制等方面的建议如下。

罐底板焊接背板的设计使用问题：无论采用陶粒土增加混凝土隔离墙的基础设计，还是采用耐火砖的基础设计，总体上避免了局部沉降，但是两者在基础的顶面都设计了30mm的耐火细砂层，细砂粒径为Φ1mm，仍然存在背板张口塞入细砂阻塞膨胀的风险，建议后续设计过程中对背板的设计使用进行模拟分析，提出相应的避免阻塞的设计方案，或建议取消，同时考虑现场罐底板焊接质量的可控性；设计应力方面：针对本项目热罐罐壁设计应力值余量较少的问题，后续项目依据规范要求，要求设计单位提供数据选定计算书，确保设计应力选取适当，既能保证设备安全，又能降低工程成本。

安装方面：严格按照图纸施工，不漏焊；控制底板平整度没有较大变形。加强焊接质量控制，避免产生较大焊接缺陷。大角焊缝焊接时采取间断焊、分层焊、控制电流等措施严格控制热输入，减少热变形，减少焊接残余应力。对焊接完成后的大角焊缝严格按照批准的ITP进行无损检测；防止变形措施：建议采用与壁板底板接触更紧密的三角板进行大角焊缝处的变形控制，三角板与壁板及边缘底板采用花焊固定，注意三角板与焊缝位置预留焊接空间。关于防变形加固措施，也可与实际施工队伍进行沟通交流，最终确保采用有效的防变形措施。在罐底板安装过程中，应重点注意变形的控制，提前安排加工反变形工具，尽量确保罐底板的组合安装平整度。

关于熔盐罐的基础型式，建议后续由柔性基础向刚性基础发展，以避免因基础的沉降而导致熔盐罐的泄漏的发生，或者对柔性基础与刚性基础进行对比后选择确定；关于熔盐罐的设计，目前各家拥有自己的设计方法，没有形成统一的导则，建议由有关部门尽快统一，出台相关的熔盐罐设计规范，更有利于熔盐罐的设计安全、运行安全，尤其是在目前的“双碳”目标的大环境下，更有其必要性。